Zu Mars in wenigen Wochen?

Gestern habe ich einen Beitrag von Eugen Reichelt in der vorletzten SuW gelesen. Ich hatte ihn mir extra aufgehoben, weil ich mich über die Beiträge des Plagiators – so nenne ich ihn, weil ich in seinen Büchern massenweise fand, dass er von mir abgeschrieben hat – immer aufrege. So auch diesmal. Neben einer extrem optimistischen Zukunftsaussicht, die im Jahr 2030 von vier bis fünf Weltraumstationen ausgeht, sinnlosen Vorschlägen (Platzieren der ISS in 1.200 km Höhe, also der Höhe der OneWeb Satelliten als Menschheitsmonument (oder eben Ziel für Kollisionen mit Oneweb) und einseitiger Berichterstattung (mehrfache Seitenhiebe auf Boeing, aber Loben von SpaceX, obwohl er ja weiß, das SuW Leser als Hobbyastronomen von den Starlinkplänen nicht begeistert sind) glänzt er wieder durch Nichtwissen oder oberflächiges Wissen.

Es ist schon erstaunlich wie man, wenn man sich über Jahrzehnte mit Raumfahrt beschäftigt, (das fing ja seinen eigenen Angaben nach mit dem Mercuryflug von Cooper an) immerhin so tief, dass man von anderen Autor geschriebenes neu formuliert in eigenen Büchern verwendet, es schafft, nichts dazu zulernen.

Er schreibt das man mit Ionentriebwerken und Plasmatriebwerken zum Mars in einigen Wochen, Jupiter in einigen Monaten und das äußere Sonnensystem in einigen Jahren kommt. So was weckt Begehrlichkeiten. Nur umsetzbar? Die Ahnungslosigkeit des Abschreibers zeigt sich auch das er auf das Kilopowerprojekt der NASA eingeht, ohne Daten zu liefern. Dabei findet man die leicht in der Wikipedia. Ein 10 kW Reaktor soll 1.500 kg wiegen. Dabei liefert er gerade mal genug Strom für zwei bis drei gängige Ionentriebwerke, die ausreichen, einen Kommunikationssatelliten in einigen Monaten vom GTO in den GEO zu bringen. Für Missionen zu Mars oder Jupiter mit höherem Geschwindigkeitsbedarf kommt man so sicher nicht auf die genannten Reisezeiten.

Doch die kann man ja berechnen.

Ich gehe davon aus, das wenn Reichelt von „einigen Wochen“ spricht, 4 Wochen maximal gemeint, sind, denn sonst würde er von „einem Monat“ sprechen und bei „einigen Monaten“ von 5 Monaten maximal, denn sonst würde es ein „halbes Jahr“ heißen. Das äußere Sonnensystem habe ich wegen der unterschiedlichen Planeten und ihren Entfernungen und der nun nicht so eindeutigen Angabe „einige Jahre“ mal außen vor gelassen.

Um in 4 Wochen zum Mars zu kommen (228 Mill. Km Distanz von der Sonne) braucht man eine Geschwindigkeit relativ zur Erdoberfläche von 49 km/s, zieht man die Kreisbahngeschwindigkeit ab, denn Ionentriebwerke funktionieren nur im All, dann blieben 41 km/s übrig. Beim Mars angekommen hat man eine Überschussgeschwindigkeit von 30 km/s. Zusammen muss man also 71 km/s aufwenden. Bei Jupiter sind es 40,5 und 29,9 km/s, zusammen nach Abzug der Kreisbahngeschwindigkeit der Erde also 63 km/s.

Ich lasse mal so relevante Details, das man diese Geschwindigkeit ja erst auf- und abbauen muss, was die Reisedauer verlängert weg. Die Geschwindigkeitsänderung korrespondiert ja mit einem Treibstoffverbrauch. Gängige Ionentriebwerke haben eine Ausströmgeschwindigkeit von 30 bis 40 km/s. Um nur 63 km/s bei einer Ausströmgeschwindigkeit von 40 km/s abzubauen, braucht man 4,83-mal mehr Treibstoff, als das Gefährt selbst wiegt. Das leistungsfähigste zumindest projektierte Ionentriebwerk ist das Hipep der NASA mit einem spezifischen Impuls von 94,3 km/s. Selbst dann wiegt der Treibstoff bei 71 km/s Geschwindigkeitsänderung 2,1 mal mehr als der Rest des Gefährts, wobei dieser Rest ja nicht nur nutzbare Masse sind, sondern davon auch noch die Triebwerke, Reaktoren und Tanks abgehen.

Ich habe mir mal den Spaß gemacht auf Basis von Reichelts Lieblingsfirma das durchzurechnen mit dem größeren Geschwindigkeitsbedarf, allerdings ohne die verlängerte Reisezeit durch den Betrieb zu berücksichtigen. Zudem gehe ich von einer Kreisbahn aus, weil sonst die Nutzlast wahrscheinlich gegen Null geht.

Die Falcon Heavy transportiert nach SpaceX Angaben 63,8 t in den LEO – das dem nicht so ist, wissen vorgebildete Leser, aber nicht Reichelt – davon wären 36,2 t Treibstoff und 27,6 t bleiben für das Gefährt übrig. Verwendet wird Xenon als Arbeitsmedium. Bei dem Gas wiegen die Tanks etwa ein Sechstel des Inhalts, bleiben also noch 21,5 t übrig.

Ein HiPEP wiegt 47 kg erzeugt 0,67 N Schub und hat einen Stromverbrauch von 39,3 kW und ist für einen Treibstoffdurchsatz von maximal 4000 kg ausgelegt. Man benötigt also mindestens 9 dieser Triebwerke. Mit 9 Triebwerken kommt man aber nicht auf die gewünschte niedrige Reisedauer.

Aus der allgemeinen Beziehung

Schub = Treibstoffdurchsatz x Ausströmgeschwindigkeit

und

Treibstoffdurchsatz = Treibstoffmasse / Betriebszeit

kann man bei 28 Tagen Dauerbetrieb (2.419.200 s) und 36.200 kg Treibstoff einen Treibstoffdurchsatz von 0,015 kg/s berechnen, der dann einem Schub von 1412 N entspricht. Da ein Triebwerk aber nur 0,67 N liefert, benötigt man 2107 Triebwerke, die bei 47 kg pro Triebwerk schon mal 99,029 t wiegen, also weitaus mehr als die Nutzlast der Falcon Heavy.

Damit könnte ich aufhören. Aber wir brauchen ja noch eine Stromversorgung. Reichelt spricht von Kilopower Reaktor, der bei 10 kW Leistung 1.500 kg wiegt. Wir benötigen nun aber 2107 x 39,2 kW Leistung mithin 8.260 dieser Reaktoren die dann 12.400.000 kg wiegen würden – viermal mehr als eine Saturn V vor dem Start. Zugegeben das ist der falsche Reaktor. Das Vorgängerprojekt SAFE, ausgelegt für mehr Leistung erreichte 100 kW Leistung bei 512 kg Masse. Das reduziert die Masse auf 423 t. Allerdings braucht man immer noch viel zu viele Reaktoren. Reaktoren haben pro Masse eine immer höher werdende Leistung. Daher habe ich nach einer irdischen Alternative gesucht. Das Hyperion Power Modul, ein Reaktor, so groß wie eine Gartenlaube wiegt 15 bis 20 t und liefert 26 Mw elektrisch. Davon benötigt man vier Stück, die dann mindestens 100 t wiegen – also immer noch mehr, als man an Gewicht verfügbar hat. Allerdings ist das ein irdischer Reaktor, der für den Weltraumeinsatz wohl schwerer würde, weil er natürlich gegen Unfälle abgesichert sein muss. Zudem müsste man pro Reaktor über 40 MW thermische Energie abführen.

Dabei sind alle Annahmen optimistisch und trotzdem kommt man darauf das alleine Triebwerke und Reaktor 200 t wiegen würden, man aber nur 21 t für die Nutzlast übrig bleibt.

Was bleibt? Wie öfters bei diesem Autor: dummes Geschwätz ohne Hintergrundwissen. Erhöht man die Reisedauer, so gibt es zwei positive Effekte. Zum einen sinkt die Geschwindigkeitsanforderung – bei 100 Tagen z.B. auf 26 km/s, also knapp ein Drittel und man benötigt so weniger Treibstoff, hat also mehr Nutzlastmasse übrig. Zum anderen braucht man dann auch weniger Triebwerke und elektrische Leistung, weil man mehr Zeit hat, das senkt den Treibstoffdruchsatz und dies kombiniert sich mit weniger Treibstoff. Bei 100 Tagen sähe die Bilanz so aus:

System Gewicht
Treibstoff 11,1 t
Tanks 1,9 t
Triebwerke 181
Triebwerksgewicht 8,5 t
Reaktor 36,5 t SAFER
Nutzlast 5,8 t

Also das wäre möglich, wobei die Nutzlast unterhalb dessen liegt, was nach SpaceX-Angaben chemisch möglich wäre. Real würde es auch länger dauern, weil ja die Geschwindigkeit erst auf- und abgebaut werden muss, sodass auch der Zeitgewinn relativ zur chemischen Lösung, die etwa 220 Tage benötigt, gering wäre. Dafür benötigt man aber 181 Triebwerke und einen Reaktor mit 7,1 MW Leistung.

Ja Zukunftsutopien wären so schön, wenn es die Realität nicht gäbe …

3 thoughts on “Zu Mars in wenigen Wochen?

  1. Tja, ohne mächtig viel Energie gehts halt nicht. Das hast du ja mal vor 4 Jahren in einem anderen Blog durchgerechnet.

    Die Sci Fi-Serie „The Expanse“, von der Thierry Gschwind damals geschwärmt hat, geht übrigens dieses Jahr in die letzte Runde.

    1. „The Expanse“ hat noch zwei letzte Runden: 5. und 6. Season – und nicht nur das Wasser, sondern auch die Ringe und die Welten dahinter gehören den Gürtlern 😉

      Und in der Tat, für „schneller“ braucht es wohl doch neue Technologien, so etwas wie Fusionstriebwerke? Man muss wohl doch im 23. oder 24. Jahrhundert geboren werden oder worden sein, um dafür dabei zu sein.

      1. Ah so, Staffel 6 kommt erst noch. Danach ist allerdings erstmal Schluss. Was passt, dann in der Buchreihe sowieso ein Zeitsprung kommt.

        @Triebwerk:

        Dieser Blog hier hat sich ein paar interessante Gedanken gemacht, wie der Epstein Antrieb tatsächlich funktionieren könnte.

        http://toughsf.blogspot.com/2019/10/the-expanses-epstein-drive.html

        Nichts was den Gesetzen der Physik widersprechen würde, aber doch sehr weit vom heutigen Stand der Technik entfernt. (Wobei der Antrieb in der Buchreihe/Serie sowieso erst im frühen 23sten Jahrhundert erfunden worden ist.)

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

Diese Website verwendet Akismet, um Spam zu reduzieren. Erfahre mehr darüber, wie deine Kommentardaten verarbeitet werden.